【摘 要】
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国际热核聚变实验反应堆ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)上的径向X射线相机(RXC)的前端电子学面临很多挑战。探测器输出的电流信号非常微弱(10n A-10μA),需要使用放大处理电路将微弱电流信号转换为电压并放大。放大器放置在生物屏蔽墙以外的区域(Port Cell),与探测器之间的信号传输线长达20米,信号传输过程中易受
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国际热核聚变实验反应堆ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)上的径向X射线相机(RXC)的前端电子学面临很多挑战。探测器输出的电流信号非常微弱(10n A-10μA),需要使用放大处理电路将微弱电流信号转换为电压并放大。放大器放置在生物屏蔽墙以外的区域(Port Cell),与探测器之间的信号传输线长达20米,信号传输过程中易受到强烈的核辐射和电磁辐射干扰。同时由于受Port Cell可用空间的限制,整个系统140道信号的放大处理电路需要集成到36cm×25cm×25cm的狭小封闭空间内(核屏蔽机柜),且要满足电路的散热和电磁兼容性需求。为此,本文介绍了一套远前端、高增益、紧凑型的前端电子学系统,主要包括紧凑型的16通道放大器电路板卡,全导冷机箱和独立屏蔽的信号传输系统。在放大器电路板卡设计中,通过对探测器结构原理的分析,建立了等效电路模型,结合模型分析计算不同电路结构的性能参数,并设计了全差分正反馈跨阻放大的优化电路结构,解决了阵列探测器公共端信号均分的问题。为了加速阻带噪声的滚降,设计了巴特沃兹全差分有源低通滤波器,降低了系统的噪声。筛选FET输入的双通道运放AD8066和全差分放大器THP210,使用Cadence软件仿真分析相位补偿电容对带宽和噪声的影响,验证优化电路参数(增益:1×10~6(1(1/,带宽:113k Hz)。基于RHFL4913A和RHFL7913A设计稳压滤波电路,滤除电源经过80米传输带来的电压波动和噪声。设计一套紧凑型的16通道放大器电路板卡。电路板卡的高度集成和信号的交互需要一个机箱,因此,研制一款全导冷机箱,通过背板和结构的特殊设计,将信号输入和输出接口与电路板卡分离,提升维护效率同时有助于电磁屏蔽和核屏蔽的设计。计算电路板卡的功耗,在不同的条件下对机箱结构散热进行仿真模拟,验证设计的合理性。定制16对独立屏蔽双绞线,并采用单点接地方式,避免了地回路噪声、外界干扰和通道间的串扰,提高了系统的信噪比。在实验室对电路的增益、带宽、功率、温度稳定性等进行测试,均满足设计要求。前端电子学系统在国际认证的实验室进行了10项EMC测试,全面验证了其硬件电路的电磁兼容性能。在东方超环EAST装置上模拟ITER装置环境,对系统的接地、信号传输进行了验证测试,达到预期目标。该研究为核环境下的远前端、高增益、紧凑型电子学设计提供了可借鉴的方案。
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